英语原文共 16 页
海底管道维护活动中基于风险的作业安全分析
李新红、陈国明 、长远江、徐长航
摘要
维护活动对于恢复受损海底管道的结构完整性至关重要。但是，维护操作中存在许多风险因素，可能会导致一些意外事件。本文提出了一种水下维护作业风险分析的新方法管道，整合工作安全分析(JSA)和贝叶斯网络(英国)。在这种方法中，JSA方法用于发现维护操作中存在的风险因素和后果。这些确定的因素后果分为几种类型。随后，开发了一些单独的bn每种类型的影响因素和后果。同时，维护操作流程图直接转化为主要的BN。最后，通过添加个体，建立了一个完整的贝叶斯网络模型BNs到主BN。基于模糊的方法被用来确定基本概率因子，这些因子被用作模型中的先验简介，以进行稳健的概率推理。这方法可用于执行维护操作的安全分析。它也可以服务作为减少事故发生可能性的有用工具。其适用性和有效性是通过两个典型的维护操作案例进行说明。
关键词：安全分析、贝叶斯网络、基本概率因子、概率推理
1.简介
在海底管道的运行活动中，维护是其中之一最关键的行动。与此同时，这也是至关重要的海底管道完整性管理步骤(DNV-RP-F116，2009年)。然而，海底管道的维护操作包括通常在具有挑战性的工作条件下进行受到一系列危险因素的影响，例如人为错误、散列环境和设备故障。许多事故和事件过去在维护期间发生过。因此，维护操作期间的安全是最重要的方面值得考虑。维护操作期间的风险分析是提高作业完成概率所需的，以及避免意外事件一般而言，维护操作程序涉及不同故障类型的海底管道应准备在应对海底管道突发故障事件的进展。海底管道的安全立法或规范要求运营商制定应急计划，将管道故障的影响降至最低，保护公众和环境(美国机械工程师学会B31.4，2012年Veritas，2009)。进行风险分析有助于发现潜力准备好的维护程序中的弱点和发展预防策略，它能够提供一个指南高效和有效地执行维护操作。
前几年，在维护方面做出了相当大的努力规划或战略，并提出了许多方法制定最佳维护间隔，旨在达到维护成本和石油运营风险之间的平衡天然气设施(Bhandari等人，2016年；Li等人，2017年a；八BahooToroody等人，2019年；Abbassi等人，2016年；Soslash; rensen，2017年)。然而，维修过程中的安全风险分析研究海底管道的操作只能偶尔发现在文学上。现有的研究集中在人为错误概率上海洋系统维护活动期间的评估(Abbassi等人，2015年；Islam等人，2017a，2017b)。最近开始运作安全在海上石油和天然气行业受到关注(杨等人，2015年a，b；Cai等人，2013)。海上维护操作是一项需要高度人机的密集活动挑战和进化条件下的互动易受环境条件、组织、管理影响和技术水平。期间的全面风险分析需要维护来确定的完成概率操作和事故发生概率。
定性和定量风险分析技术已经广泛用于识别系统弱点和降低概率石油和天然气部门的意外事件(Ferdous等人，2013年；里等人，2017b，2018)。JSA是一种有用的定性风险分析方法其可用于验证操作步骤和发现潜在危险(Aven，2015年；职业安全与健康管理局，2002年)。JSA划分了一个完整的操作分成一系列步骤，并识别每个步骤中存在的潜在危险迈步。这些特征使JSA适合于风险识别有明确的操作程序。一些研究利用JSA方法来识别操作中的危险因素并制定预防措施(Rozenfeld等人，2010年；拉姆齐等人，2006年)。
贝叶斯网络已被证明是一种稳健的概率推理方法在不确定的情况下。它可以执行向前和向后的推理并且经常用于进行可靠性分析或风险复杂系统的评估(Cai等人，2014，2018)。一个数字利用BN进行定量风险分析的研究有工艺设施和操作，如钻井操作、粉尘、爆炸、管道泄漏(Pui等人，2017年；Yang等人，2017年)。在此外，贝叶斯网络还应用于基于关于故障更新机制和特定案例数据(Villa等人，2016年；Yeo等人，2016年)。氮化硼的优势已经得到了证明超过传统的方法。由于结构灵活，BN很容易解释失败和相互依赖的共同原因在模型的输入事件中，这可以减少不确定性风险分析结果(李等人，2016年)。
由于水下维护操作的记录很少报告管道维护期间的定量风险分析由于缺乏数据，海底管道的维护是一项具有挑战性的任务(杨等人，2013年，2015年a)。此外，存在共同的不确定性。在建模和参数中(李等人，2018年)。在以前的研究中，模糊集理论被用来估计新操作或环境中出现的未知输入事件(Ferdous等人，2013年)。通过一定的聚合规则，主观的可以解决来自多位专家的不确定性。在这里研究中，使用基于模糊的方法来估计概率模型中的基本因素。
本文的目的是提出一种新的方法用于水下维护作业期间的风险分析管道。本研究的独特之处在于整合了JSA和英国国民银行的做法。JSA用于执行风险识别而BN用于实现以下风险建模整个操作过程。这种方法适用于两种情况海底管道的典型维护案例目的。应用拟议的方法有助于针对各种预定和海底管道的计划外维护操作。
论文的其余部分组织如下:第2节介绍了背景信息，包括维护概述海底管道技术和维护说明中国海海底管道损坏案例。第3节介绍本研究中使用的风险建模方法。第4节讨论了建议的方法及其应用程序。拟议方法的应用见第5节。第六部分给出了本文的结论。
2. 背景
海底管道维护方法综述海底管道的常见故障类型包括变形，泄漏和破裂。可以用来修复的技术受损海底管道包括焊接、机械连接器，和夹子(帕尔默-琼斯等人，2011年；米尔沃德，2015年)。最多合适的方法取决于损坏的程度和机理、管道材料、管道尺寸、管道位置、压力和温度(维尔软件，2007，2009)。此外，修复可能是暂时的或永久性的，这取决于损坏程度。临时的在进行永久性修理之前，修理是可以接受的出去。在临时维修的情况下，应记录管道的完整性和安全水平由临时自我修复或与其他预防措施相结合，例如降低操作压力和流速。
海底管道的维护可分为水上维护和水下方法。水上作业方法是指管道修复后将受损部分提升至支撑船，而在水下作业方法是指在海底完成修复。此外，水下方法可以进一步分为干舱修理和水中修理。细节显示了海底管道维护方法的分类。
在水上维修操作中，损坏的部分被提起在支撑船上，法兰焊接在海上完成表面。这种维护方法能够克服困难水下焊接。然而，它需要一个特定的支持船和精确的提升管道力学分析。此外，这种修复方法更适用于浅层管道水。水下干式舱需要干式舱执行维修操作。干式舱能够隔离受损部分和海水，并提供干燥操作条件。高压焊接在干式舱中进行。干式舱通常配备有一系列设施，例如作为电源、照明、通信设备、高压喷水、提升、供气、焊接操作设备和生命支持系统。干式维护操作机舱适用于水上焊接无法实现的情况但管道的原始性能需要确保。
维护案例和操作程序：在过去的几年里，海底管道发生了许多事故在中国海，以及上述维护方法应用于事故应急响应。为了说明的目的，两个使用水上提升进行维护操作的案例管道和水下干式舱室方法在中讨论细节。
水上提升管道维护方法：
2014年8月，渤中26-3油田海底天然气管道泄漏，这是由于船舶拖锚操作引起的。受损管道位于22 m水深，且在水面以上采用提升管道方法进行维护(赵等人，2015b)。提升管道法的操作程序是总结如下:
(1)探测泄漏位置，水下机器人利用携带声学检测装置寻找泄漏点；
(2)将支撑容器放置在泄漏位置上方；
(3)挖沟在泄漏位置周围并暴露所需长度的管道，管道暴露长度应满足吊装要求管道运行；
(4)下放和安装管道提升岩石；
(5)切割和取回受损部分，切割位置和长度由受损部分的长度决定清除重涂层和防腐涂层，冷切割使用技术切割损坏的管道；
(6)提升两根管子端部支撑容器，对管道进行精确的机械分析需要提升来评估管道的结构响应，以及确定合适的起吊点。
(7)此外，脚手架准备在右舷起重机，用于搬运管端和焊接法兰，以及管端处理满足焊接法兰的要求；
(8)将管端降至海底；
( 9)测量两个法兰之间的长度；
(10)下放预制替换件至海底；
(11)通过以下方式连接管端和更换管段法兰，由潜水员或水下机器人进行。请注意，安装螺栓和螺钉的预紧力应符合规范；
(12)测试管道压力，如果有效，则更换跨度使用沙袋回填管段。
水下干式舱维修方法：水下干式舱室法已用于维修渤西油田海底天然气管道案例(泄漏于2000年5月)和东方1-1气田(2007年11月泄漏)(王，2009)。图2描述了水下操作程序干式机舱维修方法。可以看出干式舱室法的大多数操作程序相似涉及水上提升管道方法。但是对于水上提升管道法，管端法兰焊接完成在一个干燥的小屋里。因此，这种维护方法包括将干式舱降落在海底，排水发电干燥的环境，以及在完成手术。
3. 风险建模方法
工作安全分析：
工作安全分析(JSA)，也称为工作危险分析，是安全或风险评估的有效、主动的措施，这通常用于识别潜在的危险因素存在于操作过程中，并确定风险缓解措施(劳桑，2004)。在JSA，一个完整的操作过程需要分为一套明确的步骤，以及危险和后果分析从一个操作步骤开始到下一个操作步骤迈步。因此，JSA非常适合有清晰明确的操作程序。由JSA，危害和与操作步骤本身相关的相应后果可以是发现(职业安全和健康管理局，2002年)。
图3示出了典型的JSA表，以及包括与任务、风险级别相关的危险和后果关于完成这项任务，以及降低风险的措施。在本文中，完成一项任务的风险水平是通过风险来评估的矩阵法。总的来说，JSA对于一个特定的行动是举足轻重的由一个团队完成，包括以下七个步骤:(1)规划和准备；(2)理解和了解操作流程；(3)将操作分成一组任务序列；(4)识别危险和后果；(5)频率分类和后果严重性；(6)提出预防措施；(7)准备分析报告。
贝叶斯网络：
贝叶斯网络是一种不确定条件下的概率推理方法，包括节点、弧和条件概率表。节点表示随机变量，弧线表示依赖关系或者链接的随机变量之间的因果关系。这变量之间依赖关系的类型和强度由下式定义CPT。贝叶斯网络由于其灵活的结构和概率推理引擎，被广泛应用于大型复杂的风险分析领域系统(李等人，2016年；Cai等人，2017)。系统(李等人，2016年；Cai等人，2017)。
基于变量之间的条件依赖关系，联合一组变量的概率分布rho;(U)=(X1，X2，X3，.。。,Xn)可以表示为:P(U) = n i=1 P(Xi Pa(Xi))
其中rho;(U)是联合概率分布，而rho;(Xi)是父代变量集Xi。图4示出了传统的氮化硼，包括随机变量X1-X4。
BN可以执行正向或预测性分析，以及逆向分析或诊断分析。在预测分析中特定变量的概率分布可以通过以下方法获得边缘化联合概率分布变量(Cai等人，2013，2014)。氮化硼的主要应用是概率更新，变量的先验概率被更新使用贝叶斯定理给出后验概率对新信息或证据的观察。例如，如果观察到变量X2处于状态E，即联合概率分布是基于贝叶斯定理更新的:
基于模糊的方法：
模糊集合论被广泛用于描述风险分析。中提供了一种具有语法和语义的语言将定性知识转化为数字的模糊集合论推理。模糊集合论的关键要素包括模糊数和隶属函数。三角模糊数用来量化专家知识的不确定性。全要素网络是代表下边界的向量(PL，PM，PU)，最可能的值和上限。在本文中，语言学术语分为七个等级，例如非常高(VH)、高(H)，相当高(FH)、中等(M)、相当低(FL)、低(L)和非常低(VL)。采用最大最小聚合方法对模糊进行变换数字转换成清晰的概率，这是必需的定量风险分析的输入。
基于模糊的方法包括以下步骤:(1)定义未知输入事件的语言术语；(2)转换语言术语变成模糊数，加权平均值利用方法聚集多个专家的知识；(3)去模糊化，将聚集的模糊数转换成清晰的概率值。详细的描述可以在费尔杜斯找到等人(2013年)和李等人(2018年)。
4. 方法框架
介绍了维护过程中的风险分析方法在图5中。主要步骤包括I)风险识别，ii)风险识别贝叶斯网络建模，以及iii)风险评估和管理。
风险识别(步骤1)
风险识别是风险建模的重要基础和分析。在进行风险识别之前，必须应该收集关于维护操作的信息，包括管道故障类型、水深、天气条件，海况，人力和组织，维护设备。水下特定故障类型的维护操作程序管道需要提前准备。为了说明起见目的，总结本研究分析的维护程序从报告的维护案例中。本步骤旨在发现维护操作程序中存在风险因素，以及手术失败造成的后果。JSA方法是合适的用清晰的程序识别操作的风险。A进行详细的JSA维护操作和危害每个操作步骤中的因素以及操作的后果故障被识别。为了准备风险建模，确定了危险因素和后果分为决定性因素类型。
贝叶斯网络建模(步骤2)
由于前几年报告的维护案例很少，因此关于操作的基本风险因素的可用数据很少，导致维护操作期间的定量风险分析挑战性的任务。在本研究中，基于模糊的方法是用于估计基本危险的发生概率考虑到多位专家的知识。
由于结构灵活，利用贝叶斯网络进行风险建模用于维护操作。每种类型的单个bn发展了影响因素和后果。如果影响因素或后果不能再细分，它被建模为单个网络节点。在这些个体bn中，基本影响因素和后果与它们的主要类型相关联。这单个bn的CPT是基于逻辑或门确定的。当一个子因素出现时，主要类型的因素就会出现。这父节点和相应子节点之间的不确定性由修正的CPT考虑，其中逻辑关系为不是绝对值1或0，而不确定值，例如0.99或0.01，等等。，这些值的选择取决于专家的经验或者建模者对系统的了解。
单个bn后的影响因素和后果建立后，对维护操作流程图进行转换直接变成一个主要的BN。流程图中的操作步骤的操
资料编号：[3389]
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